西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8功能介绍

西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8功能介绍

 从20世纪20年代起，继电接触器控制系统在工业控制领域中一度占据主导地位，该系统是通过导线将各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接来控制各种机械或过程。但是，这种继电接触器控制系统具有明显的缺点，即设备体积大，动作速度馒．功能单一，仅能做简单的控制；特别是采用硬连线逻辑，接线复杂，一旦生产工艺或对象变动，原有接线和控制盘（柜）就需要更换，所以这种系统的通用性和灵活性较差，不利于产品的更新换代。

    20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈。1968年，美国通用汽车公司提出了开发新型逻辑顺序控制装置以取代继电器控制盘的设想，为此发布了10个招标指标，其主要内容如下：

    ①编程简单，可在现场修改程序。

    ②维护方便，好是插件式。

    ⑧可靠性高于继电器控制柜。

    ④体积小于继电器控制柜，能耗较低。

    ⑤可将数据直接上传到管理计算机，便于监视系统运行状态。

    ⑥在成本上可与继电器控制相竞争，即有较高的性能价格比。

    ⑦输入开关量可以是交流115 V电压信号（美国电网电压为110 V）。

    ⑧输出的驱动信号为交流115 V、2A以上容量，能直接驱动电磁阀线圈。

    ⑨具有灵活的扩展能力。在扩展时，只需在原系统上做很小变更即可达到大配置。

    ⑩用户程序存储器容量至少在4 KB以上（适应当时汽车装配过程的要求）。

    以上10项指标的核心是采用软布线，即以编程方式取代继电器控制的硬接线方式，这样在每次汽车改型或改变工艺流程时无须改动接线，从而降低成本，缩短新产品开发周期，实现大规模生产线的流程控制。

    1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上台可编程序控制器(ProgrammableLogic Controller) PDP-14，在美国通用汽车装配线上试用，这种面向工业过程的控制装置一问世即获得了巨大成功。其后，美国MODICON公司推出了同名的084控制器；1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出了其台PLC-DSC-8。1973年，西欧国家的台PLC也研制成功。我国从1974年开始仿制美国的第二代PLC，1977年研制出台具有实用价值的PLC。

    纵观PLC控制功能的拓展历程大致经历了以下四个阶段。

    (1)崛起阶段（从台PLC诞生到20世纪70年代中期）

    首先在汽车工业获得大量应用，继而在其他产业部门也开始应用。由于大规模集成电路的出现，采用8位微处理器芯片作为中央处理器(CPU)，推动了可编程序控制器技术的飞跃。这一阶段PLC主要用于逻辑运算、定时与计数运算，控制功能比较简单。因此该阶段的产品称为可编程序逻辑控制器。

    (2)成熟阶段（从20世纪70年代中期到70年代末期）

由于超大规模集成电路的出现，16位微处理器和51单片机相继问世，使PLC向大规模、高速度、高性能方向发展。这一阶段PLC的功能扩展到数据传送、比较和运算，以及模拟量运算等。

 (3)通信阶段（从20世纪70年代末期到80年代中期）

 由于计算机通信技术的发展，PLC也初步形成了分布式的通信网络体系，但是由于制造厂商各自为政，通信系统自成一派，造成了不同厂家产品的互连较为困难。在该阶段，由于社会生产对PLC的需求大幅增加，其数学运算功能得到了较大的扩充，可靠性也得到了进一步提高。

 (4)开放阶段（从20世纪80年代中期至今）

 进入21世纪，开放系统的提出使PLC得到较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的PLC可以相互通信，通信协议的标准化使用户得到实惠。在这一阶段，PLC的规模增大，功能不断完善，大中型PLC多配CRT屏幕显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得简便，此外还采用了标准的软件系统，增加了编程语言等。随着控制对象的日益多样化和复杂化，采用单一PLC已不能满足控制要求，逐步被控制功能多样化的模块构建的PLC系统所取代。

脉动真空灭菌是国内九十年代中期发展的一种新型灭菌设备，由于采用了脉动真空技术，灭菌效果好，广泛应用于医院供应室、手术室、制药厂及科研部门。基于PLC的控制系统具有运行可靠、操作简单、维护简便等特点，随着触摸屏的推广应用，使得其介面越来越人性化和个性化，逐渐成为医疗器械行业灭菌器的主流产品。

　　湖南某医疗器械公司顺应世界电气发展潮流，用PLC和触模屏控制系统替代原有的电气控制系统，经过反复试验及推广应用，取得了良好的使用效果，深得用户满意。

　　1.脉动真空灭菌器的基本特点

　　脉动真空灭菌器是采用饱和蒸汽灭菌的设备。所谓脉动真空，就是首先将灭菌器夹套进蒸汽至额定压力，然后用真空泵将灭菌器内室抽到一个较高的真空度(脉动下限)，再充蒸汽到设定正压(脉动上限)，如此一负一正的过程即为一次脉动循环。经过几次脉动后，基本抽尽器体内的冷空气，接着进饱和蒸汽达到不同灭菌物品对应的灭菌温度，开始累计灭菌计时，计时结束后，抽真空干燥，使灭菌物品达到较好的干燥度，灭菌后可直接使用。从而达到很好的灭菌效果，符合药品生产GMP规范。

　　2.控制系统

　　2.1 控制部分的硬件构成

　　根据脉动真空灭菌器的控制要求，控制系统采用日本三菱公司的FX2N-16M可编程、F940GOT-LWD触摸屏、FX2N-2AD模拟量输入单元、FX0N-8EYR输出扩展模块。外围设备有SP-E4004迅普微型打印机，水环式真空泵，德国宝得公司的气动角座阀及压力变送器、一体式温度变送器、门电机等。

　　控制系统结构示意图如下：

　　主要元件功能：

　　1)主机FX2N-16MR可编程序控制器是三菱公司FX系列的高产品。内置8K步的RAM存储器，辅助继电器3072点，8000点数据寄存器，100ms、10ms、1ms等256点定时器，256点计数器。基本指令27种，应用指令128种。运算处理速度：本指令0.08μs/指令，应用指令1.52～数100μs/指令。

　　2)FX2N-2AD模拟量输入单元，可以输入两路模拟量信号，接受4～20mA电流信号或0～10V电压信号。

　　3)F940GOT-LWD为6吋单色触摸屏，功能强大，操作简单。

　　显示功能：多可显示500个用户制作画面。除了显示英文、汉字、数字等外，还能显示直线、圆、四边形等简单图形。

　　监示功能：可用数值或条形图监示并显示可编程序控制器子元件的设定值或现在值。

　　程序清单：可在指令清单程序方式下进行程序的读出/写入/监示。

　　数据采样功能：在特定周期或起动条件成立时收集指定数据寄存器的当前值，用清单形式或图表形式显示、打印采样数据。

　　报警功能：可使多256点的可编程序控制器的连续元件与报警信息对应。

　　4)FX0N-8EYR为8点继电器输出扩展模块。

　　5)D50-BGD开关电源为触摸屏提供24V、打印机提供5V电源。

　　2.2 控制系统的应用软件

　　可编程序控制器的编程软件为SWOPC-FXGP/WIN-C[1]，是一个应用于FX系列可编程控制器的编程软件，可在bbbbbbS介面下运行。可用阶梯图、程序语句来创建顺控指令程序，建立注释数据及设置寄存器数据;该程序可在串行系统中与可编程序控制器进行通迅、文件传送、操作监控以及各种测试功能。

　　触摸屏的编写软件为FX-PCS-DU/WIN-C[2]，具有字串库、图形库、数据文件、系统设定、项目检查、蜂鸣器等功能。可给画面15级加密，让不同级别的操作者拥有不同权限。

　　2.3 主要程序编程原理结构框图如图2所示。

3.控制程序

　　为了适应用户的多种需要，设置了四种工作程序：织物灭菌程序;器械灭菌程序;液体灭菌程序;B-D试验程序。

　　3.1 织物灭菌程序

　　织物灭菌程序适宜用于纺织品、布类、手术包、卫生敷料的消毒灭菌。出厂设定参数为脉动3次、灭菌温度134℃。程序运行过程：脉动—升温—灭菌—排汽—干燥—回气—结束。

　　3.2 器械灭菌程序

　　器械灭菌程序适用于金属类手术器械、工器具、无菌器皿等物品的灭菌。出厂设定参数为脉动2次、灭菌温度126℃。

　　3.3 液体灭菌程序

　　为防止在高温下因液体沸腾而产生溅溢，液体灭菌程序特地采取了灭菌后缓慢排汽的技术措施，特别适用于非密封装载的医用液体消毒灭菌。出厂设定参数为脉动1次、灭菌温度121℃。

　　在液体灭菌程序中特设温度时间控制/F0值控制供用户选择。

　　F0值是将被灭菌物品不同受热温度折算到与湿热121℃灭菌时热效力相当的灭菌时间。F0值的计算对验证灭菌效果极为有用。在程序中设计每6秒采样一次，灭菌温度数据进行浮点运算，计算出F0值。

　　3.4 B-D试验程序

　　B-D试验是为检验本设备灭菌效果而设置的程序。固定参数为灭菌温度135℃，灭菌3.5分钟。用于判断灭菌运行是否正常，是否能进行彻底的灭菌。

　　3.5 其它功能

　　1)手动操作画面：系统为了安装、调试及维护的需要特设置了手动操作画面，对应每个执行元件均有一按键交替控制，即按一下启动，再按则停止，且对应指示灯显示。

　　2)帮助菜单：在系统画面中除了产品简介外，更添加了详细的操作说明及故障处理介绍，让用户直接面对触摸屏即可对产品有一个全面的了解。

　　3)数据打印：灭菌完毕后，可以打印灭菌温度、灭菌压力、F0值等参数。

　　4.系统改进后的优点

　　1)本控制系统将设备的整个工艺流程图显示在屏幕上，每个执行元件都有对应指示，介面直观明了、不易出错;

　　2)可在线修改参数、程序，维护方便;

　　3)设有帮助菜单，使得后续操作培训更为轻松;

　　4)控制电路简洁明了，增强了可靠性。

　　5)系统有很高的稳定性和抗干扰能力。

结合s7—200PLC控制SAMCO—iIF系列通用变频器的恒水位系统应用。分析了PLC在交流电动机变频调速中的作用以及PLC与通用变频器连接使用的基本方法。

　　目前，交流调速技术在节能方面已获得了广泛的应用，把一些原有的恒速交流电力传动系统改造成为转速可调的交流调速系统，可以取得明显的节电效果。因此，交流调速已成为节能方面的一项关键技术，它在工业中的应用将有广阔的前景。本文介绍一下阜新自来水公司在电气改造方面的情况。

　　1 水塔水位系统控制示意图

　　(1)系统控制要求

　　如图1所示水塔水位系统控制框图是模拟现代生活中对水量的要求下，在对供应水的同时，对节水节能也有严格的要求之下，对水位的控制将有一定要求，所以采用通用变频器来驱动水泵电机，对水位的不同要求决定供电频率的不同，从而决定进水量的不同。在安全控制水位的前提下，系统还有一些必要的要求：液位显示、超液位报警、液位变化曲线打印等。

　　(2)系统控制方案

　　该控制系统的被控对象是水塔的水位，而水位这个被控对象的特点是非线性、大惯性，所以没有采用常规的PID调节器构成闭环控制系统，而是采用了BANG—BANG控制调节器来对变频器进行时实控制。

　　如图2所示，由PLC组成BANG—BANG调节器，PLC是该控制系统的核心。它不仅要完成控制任务，还要完成改变频率的功能。而8031单片机在这里起液位显示、曲线打印以及报警等功能。

　　2 PLC与通用变频器的接口技术

　　该系统的PLC采用的是德国西门子公司的s7—200PLC，共可配置5块I/O模块，每个模块上共有8个点，能够满足设计需要。通用变频器采用SAMCO—i系列中的IF一2.2K型号。变频器的给定频率通过面板给定，由PLC的输出端子进行控制，如图3所示。

接口设计中的一些注意事项如下：

　　(1)根据不同频率的要求决定变频器端子FR、2DF、3DF与PLC输出端子的连接方法。由表1可知有25Hz、35Hz、45Hz,50Hz4种频率。由PLC的输出信号对变频器相应端子进行组合，以产生上述4种频率。

　　(2)本例中PLC采用晶体管直流输出模块。由于这种无触点开关电路的输出级为光耦合器，其电源和变频器内部控制电路的电源间互相隔离，故无需外接其它装置便可确保不会发生误动作。

　　(3)将变频器的异常报警信号输出端接至PLC的输入端子，以随时通过PLC对变频器的工作状况进行监控。

　　3 PLC程序设计

　　本系统中PLC程序设计采取常用的顺序控制设计法(功能表图设计法)。首先作出功能表图，然后列写现场信号与PLC软继电器编号对照表，后由逻辑表达式作出梯形图在变频调速控制系统的梯形图设计中，应特别注意以下3个方面的问题：

　　(1)当PLC构成控制系统调节器时，应另外作出如表2所示的调节器I/O编号对照表，并按照PLC与变频器的I/O接口位置明确相互间的连接关系。

　　(2)在一般的功能表图设计中，各工步的状态是唯一的，并且事先是已知的，故只需根据切换条件便可写出各工步逻辑表达式。但在本系统中，有的工步只有唯一的状态(如水位低于SQ1)，有的工步却需要从4种状态中进行选择(如水位从SQ1上升至SQ2的过程中)，而选择的依据则是上一工步的频率以及本工步的执行时间。因此，需要对一般的功能表图进行修改，在工步中加入分支选择，从而写出正确的逻辑表达式和梯形图。图4是针对水位由SQ1上升至SQ2这一工作过程而作的功能表图。结合I/O对照表便可进一步得部分梯形图(图略)。

　　(3)通过上面的分析可知，某一工步的执行时间是决定该工步工作状态的重要因素之一，而不同的定时时间是通过若干定时器串联实现的。定时器的串联不只是为了增加定时时间，更重要的是把串联中各个定时器的工作切换作为该工步选择不同频率的控。

　　4 结束语

　　通过这次控制系统的改造，为阜新自来水公司节能30%左右，达到了预定节能的目标。

响应时间是指PLC接收到一个输入信号以后，到输出控制信号所需的时间。当CPU接受对应于输入刷新周期的输入信号时，用于响应的时间取决于扫描周期。

    (1)单个PLC的小I/O响应时间

当PLC恰巧在更新输入的扫描阶段优先接收到一个输入信号时，则响应快。此时响应时间等于PLC的扫描时间加上输入ON延迟时间和输出ON延迟时间，如图1-8所示。

图1-8 小I/O响应时间

    (2)单个PLC的大I/O响应时间

    当PLC恰好在更新输入的扫描阶段之后收到输入信号，则响立时间长。这是因为CPU要到下一次扫描的末尾才能读取输入信号，所以大响应时间是输入ON延迟时间与输出ON延迟时间加两次扫描时间之和，如图1-9所示。

图1-9 大I/O响应时间

    由图1-9可知，输入采样（刷新）阶段和输出刷新阶段都是在一个扫描周期的适当期间进行的，而且是集中输入和集中输出，这就导致了输出信号对于输入信号响应的滞后，响应时间长为2个扫描周期。以欧姆龙公司的C200Ha系列PLC为例，扫描30 KB程序的周期是33.7 ms（条件：基本指令占50%，MOV指令占30%，算术指令占20%），则长响应时间是67.4 ms。对于一般的工业系统，这种循环刷新所带来的滞后时间是能够接受的。但是对于要求快速响应的场合，则需要采取以下措施：

    ①定时刷新。定时刷新是指在用户程序执行阶段中，每隔一定时间对输入映象寄存器进行一次刷新，从而减少了滞后时间。

    ②执行刷新指令。有些PLC使用专用指令对某个输入映象寄存器或输出映象寄存器进行刷新。例如，欧姆龙PLC的I/O刷新指令IORF，可以随时刷新指定的I/O单元。

    ⑧执行即时刷新指令。常规的I/O刷新是指CPU的内存与I/O单元的状态和数据交换；而即时刷新是对指令所访问字（也称通道）的I/O单元进行状态和数据交换，一个即时刷新包括指定通道的8个位（左或右8位）。即时刷新梯形图示例如图1-10所示，图中支持即时刷新的指令为!LD和!OUT。

　0 引言

　　本测试系统是式断路器生产流水线上对产品进行自动检验测试的试验设备。它以可编程序控制器(PLC) 作为控制核心，触摸屏为操作和显示单元，控制智能交- 直变频电源产生可调的实际电压接入断路器二次接线，对各型号框架断路器的电操机构、闭合电磁铁、分励脱扣器、欠压脱扣器按出厂检验细则进行自动测试，并判别测试结果是否符合产品技术指标要求。采用该测试系统可有效改善框架断路器产品检验工作的规范性，提高特性检测工作效率和测试结果的准确性，加强对产品生产过程和检验过程的管理。

　　1 系统总体方案

　　本测试系统适用HSW1 系列HSW1-1000 /2000 /3200 /4000、HSW6 系列HSW6-1600 /2500 /4000 固定式/抽屉式框架断路器( 三极/四极) 特性测试。根据产品生产的需要，整个特性测试系统拟分成6 个工位。

　　系统基本原理如图1 所示。

　　其中，触摸屏主要用于实现管理和人机交互功能，完成试验产品及用户管理、试验参数设置、试验启停控制、试验过程的实时监控等工作;PLC 接收触摸屏的控制参数及控制命令，控制产生试验所需的可调交- 直流电压，提供给被测断路器的二次回路;同时，对试验过程进行实时控制，采集试验数据，并将采集的实时试验数据和终试验结果显示在触摸屏上。

　　
图1 特性测试系统基本原理示意图。

　　特性测试系统的单工位总体结构如图2 所示。整个系统可分为可调电压装置、工装夹具和控制系统3 个主要部分，各部分的基本原理、结构和功能分别简述如下。

　　
图2 断路器特性检测系统结构。

　　1. 1 可调电压装置

　　对框架断路器产品进行二次回路特性试验，必须根据产品型号及试验项目的不同，给断路器二次回路提供不同的实际电压信号。本系统采用智能程控变频电源的电压调节方案，通过PLC 与程控电源间通信，控制智能程控电源输出相应的电压。

　　根据断路器二次回路所需电源功率要求( 见表1)和测试流程要求，选用的一路250 V 8 A 直流变频电源，可调电压范围为0 ～ 250 V;二路交流变频电源，参数为2 kVA，可调电压范围为0 ～500 V，大电流4 A。其中，一台交流电源2 kVA欠压脱扣器使用;另一台交流电源2 kVA 和直流电源供电动操作机构、合闸电磁铁、分励脱扣器切换使用，如图3 所示。

　　表1 二次回路对电源要求

　　
图3 测试电源接线图。

通过RS - 485 接口，PLC 可以与交、直流电源进行通信，监测电源电压、电流及工作状态，控制电源的开机、关机;调节电源的输出电压和电流;设置电压上升/下降的步长。

　　1. 2 工装夹具

　　根据具体框架二次接线的不同，断路器二次回路设计专门夹具(二次接线相同的框架系列共用一套夹具)。由于HSW1 和HSW6 系列特性测试涉及到的二次回路端子数量与排列一致，只需更换二次回路的夹具体，就能实现对各规格断路器进行检测。工装夹具采用气动辅助、手工装夹方式;同时，二次回路的其他信号则直接与控制系统(PLC)相连。

　　1. 3 控制系统

　　控制系统主要由触摸屏和PLC 2 部分组成。

　　整个检测系统的实时控制和数据采集主要由PLC实现。系统采用的DVP60ES200R 具有2 个RS -485 接口，1 个RS - 232 接口。其中，2 个RS -485 接口分别用于与智能交流电源和智能直流电源通信，实时获得二次元件的电源电压，便于控制系统对二次电源进行监控。系统中的各类开关量均与PLC 的数字I /O 模块相连，通过数字I /O 模块，PLC 分别实现工件到位检测、二次夹具到位检测、被测断路器二次元件动作控制、二次电源类型选择等实时控制功能，并且实时监测( 通过二次接线)被测断路器的状态和一些保护限位开关的状态。

　　操作界面选用DOP-B07S200 触摸屏，PLC 和触摸屏之间采用串口(RS - 232) 进行通信，触摸屏同时预留与上位机进行通信的以太网接口。操作人员通过触摸屏，实现系统管理和人机交互。

　　除了试品用户管理及试验结果的显示和输出之外，试验程序的主要功能是根据试品的类型、人机交互地设置试验方式和试验参数，然后将设定值转换为相关的控制参数和控制命令，通过通信接口传送给PLC;同时，触摸屏也将通过通信接口接收PLC 采集到的实时试验数据并显示，以对试验过程进行实时监控。触摸屏与PLC 之间的数据通信周期设置在100 ～ 200 ms 之间。

　　2 控制软件及试验流程

　　触摸屏为上位机，负责整个系统的管理调度，PLC 则根据触摸屏提供的控制命令和控制参数，对试验过程进行实时控制和数据采集，并把采集的数据反馈给触摸屏，以给出控制软件的总体思路及试验流程。

　　2. 1 控制主程序流程

　　触摸屏上运行的控制主程序流程如图4 所示。其主要功能包括用户管理( 用户登录/注销机制)、产品管理(产品编号等信息)、试验参数和试验模式设置、系统自检(检查试验参数的设置、被测工件的状态以及工件的装夹等是否正常)、试验过程的启动与监控、输出测试结果等。

　　
图4 控制主程序流程

　　2. 2 试验项目与测试流程

　　本系统主要用于框架断路器二次回路在不同电压条件下动作可靠性的测试。根据相关标准和产品实际情况，系统主要完成以下几个试验项目:

　　(1) 1. 1Ue，0. 85Ue的测试。电动操作机构、闭合电磁铁、分励脱扣器、欠压脱扣器各测试5 次，各器件工作应正常;若单项不合格，则显示不合格项并报警。

　　(2) 0. 7Ue的测试。只针对分励脱扣器进行，测试5 次，断路器应能可靠动作。

　　(3) 欠压脱扣器瞬时测试。施加0. 35Ue欠压线圈，应不能吸合，从0. 35Ue上升至0. 85Ue前，欠压线圈应能吸合，并显示吸合时的电压;断路器从0. 85Ue下降，在(0. 7 ～ 0. 35)Ue范围内应可靠断开，并显示断开时的电压;电压应在约30 s时间内从额定控制电源电压降至0 V。

　　(4) 欠压脱扣器延时测试。在断路器合闸状态下，欠压线圈施加的电压从0. 85Ue迅速下降至0，保持50% 延时时间，之后迅速上升至Ue，断路器应不动作;欠压线圈施加的电压从Ue迅速下降至0，多保持120% 延时时间，在此时间范围内断路器应动作，并测量延时断开时间。

根据测试项目要求，测试流程共分3 个循环，如图5 ～ 图7 所示。

　　
图5 循环全自动测试流程。

　　
图6 第二循环全自动测试流程。

　　
图7 第三循环全自动测试流程。

　　系统设置4 种测试模式:全自动( 一次自动完成所选择的所有试验项目)、单步自动( 单个流程只进行一次循环)、每五步自动( 完成单个流程的五次循环)和手动。随着所选试验项目和试验模式的不同，具体的测试流程会有所区别，如图8所示。

　　
图8 测试流程界面。

　　3 结语

　　式断路器二次回路特性测试系统既可以单独进行自动检测工作，又可与自动输送流水线结合，实现产品全自动检测。检测系统已在出厂检验、产品制造部门成功投入使用，为HSW1 系列智能型式断路器产品出厂检验提供了可靠的质量保障，同时也提高了生产效率，降低了工人的劳动强度。系统不但可以满足智能型式断路器测试的要求，还可为产品的设计和性能改进、分析提供有力的科学依据，故该系统具有较好的推广价值和应用前景。